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申请/专利权人：四川大学

摘要：一种五阶段梯级原位地热发电系统。系统由入水段、换向器、水流段、井内热伏发电模块、传热段、顶部热伏发电模块和透平发电模块构成。入水段由多跟入水管连接而成，换向器将水流段外管与内管之间的回灌水引入入水段，进而引入地下；水流段的井用潜水泵装在水流段内管正中间；井内热伏发电模块内设有相变型热伏发电基础模块和管壁型热伏发电基础模块。传热段设有磁悬浮发电段。顶部热伏发电模块顶部热伏发电模块底端与传热段连接管旋合。透平发电模块采用ORC有机朗肯发电机。本发明满足施工需求的深地原位地热发电；在原位地热发电过程中，地热水原地回灌；实现磁悬浮、透平、管壁、相变热伏、顶部热伏五阶段梯级地热发电，最大效率利用热能。

主权项：1.一种五阶段梯级原位地热发电系统，其特征在于：地热发电系统共有五个阶段，为：磁悬浮发电、透平发电、管壁发电、相变热伏发电、顶部热伏发电；系统由入水段1、换向器2、水流段3、井内热伏发电模块4、传热段5、顶部热伏发电模块6和透平发电模块7构成，入水段、换向器、水流段、井内热伏发电模块、传热段均在地下，且按由深地到地表的顺序依次对接；顶部热伏发电模块部分安装在地下，部分安装在地面，透平发电模块安装在地面；入水段1由多跟入水管110连接而成，每根入水管一端加工成入水外螺纹112，另一端加工成入水内螺纹113；两端的外螺纹和内螺纹大径、小径和螺距相等，相邻入水管通过两端外螺纹和内螺纹旋合连接，构成所需要长度的入水段；入水段顶端接口与换向器2的入水段连接端口210的入水管连接螺纹213通过旋合紧密连接；入水段1最低处为回灌入口，入水段最高处为入水段顶端接口；入水段顶端接口为外螺纹，回灌入口为内螺纹；换向器由入水段连接端口210、四个回灌水连通器220-1～220-4，水流段连接接口230三部分连接而成；换向器将水流段外管与内管之间的回灌水，通过回灌水连通器，引到入水段连接接口，通过入水段与入水段顶端接口旋合连接，将回灌水引入入水段，并从回灌入口将回灌水引入地下；水流段3由轴流水泵段、水流段连接器和水流段管道构成，水流连接器连接相邻的水流段管道，根据需要连接成任意长度；轴流水泵段由水流段内管和井用潜水泵构成，井用潜水泵装在水流段内管正中间，井用潜水泵吸入管与水流段内管之间轴流水泵密封圈密封；水流段连接器由水流段外管连接器350、水流段内管连接器340、水流段卡固件构成；水流段管道由水流段内管310和水流段外管320构成；水流段内管和水流段外管长度相等，设其长度为Hn；井内热伏发电模块4从下至上分为井内热伏发电底端段410、井内热伏发电中段420、井内热伏发电顶端段430；井内热伏发电模块4内设有相变型热伏发电基础模块和管壁型热伏发电基础模块；相变型热伏发电基础模块由相变型热伏基础模块外壳401、相变型热伏基础模块传热层402、相变型热伏发电模块403、相变型热伏基础模块内层404、相变型热伏发电模块密封圈405-1、405-2构成，设置有相变型热伏发电基础模块顶盖；管壁型热伏发电基础模块由管壁型热伏发电基础模块外壳471、管壁型热伏发电模块472、管壁型热伏发电基础模块内层473以及管壁型热伏发电基础模块密封圈474-1、474-2构成：传热段5含传热段连接管510和磁悬浮发电段；传热段连接管510的内径与相变型热伏基础模块内层内径相同；磁悬浮发电段的发电机521，安装在传热段连接管中间的一节，发电机521安装在发电机支撑架的发电机紧固支架532内，支撑磁铁524安装在支撑磁铁紧固支架542内；发电机支撑架的管壁支撑架531粘接在传热段连接管内侧；支撑磁铁管壁支撑架541粘接在传热段连接管内侧；顶部热伏发电模块6由顶部热伏发电底端连接器、顶部热伏发电内管、顶部热伏发电外管、顶部热伏发电外管连接器、顶部热伏发电顶盖内层和顶部热伏发电顶盖外层构成，顶部热伏发电模块底端与传热段连接管510旋合；透平发电模块7为ORC有机朗肯发电机，发电机的工质泵输出的工质输入顶部热伏发电顶盖内层的透平工质流入管；顶部热伏发电顶盖外层的透平工质流出管输出加热后的工质，并连接到ORC发电机的膨胀机工质输入接口；ORC发电机的工质被顶部热伏发电内管的加热后，驱动ORC发电机的膨胀机做工，使得ORC发电机输出电能；所述井内热伏发电模块4中的相变型热伏发电基础模块由相变型热伏基础模块外壳401、相变型热伏基础模块传热层402、相变型热伏发电模块403、相变型热伏基础模块内层404、热伏模块支撑架和相变型热伏发电模块密封圈405-1、405-2构成；所述相变型热伏基础模块外壳401为管状结构，采用导热系数低、弹性模量高的材料制作；相变型热伏基础模块外壳内半径与水流段内管接口内半径相同，为r2；相变型热伏基础模块外壳外半径与水流段内管接口外半径相同，为r5；相变型热伏基础模块外壳下端加工成为相变型热伏基础模块内螺纹406；相变型热伏基础模块外壳上端加工成相变型热伏基础模块外螺纹407，与水流段内管接口外螺纹239规格相同；相变型热伏基础模块内螺纹与相变型热伏基础模块外螺纹匹配，使得相邻热伏基础模块外壳旋合后构成一个管状结构；相变型热伏基础模块内螺纹与相变型热伏基础模块外螺纹高度为H2；相变型热伏基础模块外壳高度为Hn+h3+H2；所述相变型热伏基础模块传热层402在相变型热伏基础模块外壳内侧，为金属管状结构，外径与相变型热伏基础模块外壳401内径相同，高度略小于Hn，上端与相变型热伏基础模块外螺纹下端平齐，下端略高于相变型热伏基础模块外螺纹上端；在相变型热伏基础模块传热层管壁上，有掏空的若干个传热水流孔451-1、451-2、...451-i；所述相变型热伏发电模块403由多个温差发电芯片构成；温差发电芯片的冷端焊接在相变型热伏基础模块内层404外侧，温差发电芯片的热端焊接在相变型热伏基础模块传热层402内侧；温差发电芯片在水平方向和垂直方向对齐排列，水平方向成行，垂直方向成列；每行温差发电芯片个数相同，每列温差发电芯片个数相同；每行温差发电芯片之间连接关系为串联；各行温差发电芯片之间串联后，每行的输出电源线之间并联；构成热伏发电基础模块电源输出端；在相变型热伏发电模块上端和下端，有相变型热伏发电模块密封圈405-1、405-2，嵌于相变型热伏基础模块传热层402和相变型热伏基础模块内层404中间，将相变型热伏发电模块密封；所述相变型热伏基础模块内层404为管状结构，由金属材料构成，高度为Hn+h3；下端与热伏基础模块传热层下端平齐；设相变型热伏基础模块内层内径为dn，外径为Dn；在下端的内侧，对管壁进行加工，形成上底面直径为dn，下底面直径为Dn，高为hn的圆台形状，称为热伏基础模块内层下斜口408；在上端的外侧，对管壁进行加工，形成上底面直径为dn，下底面直径为Dn，高为hn的圆台形状，称为热伏基础模块内层上斜口409；所述热伏模块支撑架由热伏模块支撑架主体461和四个热伏模块支撑架侧耳462-1～462-4构成，均为金属材料制作；热伏模块支撑架侧耳外形与水流段卡固件相同，并对称焊接在热伏模块支撑架主体外侧；热伏模块支撑架主体为管状结构，高度为h1；热伏支撑架用于限制相变型热伏发电基础模块或管壁型热伏发电模块与水流段外管之间的间距，与水流段外管连接器配合使用；所述管壁型热伏发电基础模块外壳471为金属管状结构，内半径与水流段内管接口232内半径相同，为r2；外半径与水流段内管接口232外半径相同，为r5；下端加工成管壁型热伏发电基础模块外壳内螺纹475,与水流段内管接口外螺纹239匹配；外壳上端加工成管壁型热伏发电基础模块外壳外螺纹476；管壁型热伏发电基础模块外壳内螺纹475与管壁型热伏发电基础模块外壳外螺纹476匹配，多个管壁型热伏发电基础模块外壳旋合后构成一个管状结构；管壁型热伏发电基础模块外壳内螺纹475与管壁型热伏发电基础模块外壳外螺纹476高度为H2；管壁型热伏发电基础模块外壳高度为Hn+h3+H2；所述管壁型热伏发电模块472由多个温差发电芯片构成；温差发电芯片的冷端焊接在管壁型热伏发电基础模块外壳内侧，温差发电芯片的热端焊接在管壁型热伏发电基础模块内层外侧；温差发电芯片在水平方向和垂直方向对齐排列，水平方向成行，垂直方向成列；每行温差发电芯片个数相同，每列温差发电芯片个数相同；每行温差发电芯片之间连接关系为串联；各行温差发电芯片之间串联后，每行的输出电源线之间并联；构成管壁型热伏发电基础模块电源输出端；在管壁型热伏发电模块上端和下端，有管壁型热伏发电基础模块密封圈474-1、474-2，嵌入管壁型热伏发电基础模块外壳和管壁型热伏发电基础模块内层中间，将管壁型热伏发电模块密封；管壁型热伏发电基础模块内层473为金属管状结构，高度为Hn+h3；上端与管壁型热伏发电基础模块外壳平齐；外径为r2减去2倍管壁型热伏发电模块的厚度；所述相变型热伏发电基础模块顶盖由顶盖外圈481、顶盖内圈482、顶盖顶板483组合而成；顶盖外圈与顶盖内圈等高；顶盖外圈、顶盖内圈、顶盖顶板均采用导热系数低、弹性模量高的材料制作；顶盖外圈为管状结构，内径与外径与水流段外管的内径与外径相同，下端加工成顶盖外圈外螺纹484；顶盖外圈外螺纹的规格与水流段外管外螺纹相同；顶盖内圈482为管状结构，内径与外径与相变型热伏基础模块内层404内径与外径相同，下端形状与相变型热伏基础模块内层下斜口408相同，称为顶盖内圈下斜口485；上端加工成顶盖内圈内螺纹486；顶盖顶板483为圆环状，内径与顶盖内圈内径相同，外径与顶盖外圈相同；顶盖顶板在上边，与顶盖内圈和顶盖外圈粘合，构成一个整体；顶盖外圈外螺纹与最上端的水流段外管连接器旋合，在顶盖内圈下斜口与最上端的相变型热伏基础模块内层上斜口间加入密封圈，使其密封；所述传热段5内的传热段连接管510下端加工成传热段连接管外螺纹511，与相变型热伏发电基础模块顶盖的顶盖内圈内螺纹486匹配，上端加工成传热段连接管内螺纹512，与相变型热伏发电基础模块顶盖的顶盖内圈内螺纹486规格相同；所述磁悬浮发电段由传热段连接管、发电机、上磁铁、下磁铁、支撑磁铁、叶轮、支撑磁铁支撑架、发电机支撑架构成；磁悬浮发电段发电机521的发电机轴承522为圆柱状,由磁导率低的金属材料构成；轴承下端安装叶轮；在发电机轴承上安装上磁铁523和下磁铁525；上磁铁和下磁铁为管状，内径与发电机轴承外径相同，外径相等，紧固安装在发电机轴承上，极性方向为上下方向，且极性方向相同，同为上南下北，或者下北上南；支撑磁铁524为管状，内径大于轴承外径，小于上磁铁外径，并穿过轴承，处于上磁铁和下磁铁中间，极性方向为上下方向，且与上磁铁相反；叶轮526安装在发电机轴承522最下边；支撑磁铁支撑架由支撑磁铁管壁支撑架541、支撑磁铁紧固支架542，支撑磁铁支撑板543-1～543-4构成；支撑磁铁管壁支撑架、支撑磁铁紧固支架为管状结构；支撑磁铁管壁支撑架外径与传热段连接管内径相同，并粘接在传热段连接管内侧；支撑磁铁紧固支架内径与支撑磁铁外径相同；支撑磁铁支撑板有四个，成90度排列，连接支撑磁铁管壁支撑架和支撑磁铁紧固支架，使之称为一个整体；发电机支撑架由管壁支撑架531、发电机紧固支架532，发电机支撑板533-1～533-4构成；管壁支撑架531、发电机紧固支架532为管状结构；管壁支撑架531外径与传热段连接管510内径相同，并粘接在传热段连接管内侧；发电机紧固支架532内径与发电机外径相同；发电机支撑板有四个，成九十度排列，连接管壁支撑架和发电机紧固支架，使之成为一个整体；所述顶部热伏发电模块6中，顶部热伏发电底端连接器由顶部底端连接器外层611、顶部底端连接器中层612、顶部底端连接器内层613、顶部底端连接器底层614四部分组合而成；采用导热系数低、弹性模量高的材料制作；顶部底端连接器外层611为管状结构，内径与外径与水流段外管320的内径与外径相同；上端加工成顶部底端外层内螺纹615，顶部底端外层内螺纹与水流段外管外螺纹321-1、321-2匹配；顶部底端连接器中层612为管状结构，内径与外径与相变型热伏基础模块外壳的内径与外径相同；上端加工成顶部底端中层外螺纹616；顶部底端中层外螺纹与相变型热伏基础模块内螺纹406匹配；在顶部底端中层外螺纹下边，加工一些圆孔，称为顶部底端中层通流孔619；顶部底端连接器内层613为管状结构，内径与相变型热伏基础模块内层的内径相同；外径与传热段连接管外径相同；下端加工成顶部底端内层外螺纹618，与传热段连接管510内螺纹512匹配；上端外侧加工成圆台形状，称为顶部底端内层上斜口617，与相变型热伏基础模块内层下斜口408相吻合；顶部底端连接器底层614为圆环状，内径与顶部底端连接器内层613外径相同，外径与顶部底端连接器外层611外径相同；顶部底端连接器外层611、顶部底端连接器中层612、顶部底端连接器内层613轴芯在与顶部底端连接器底层垂直，且过顶部底端连接器底层圆心；顶部底端连接器外层611、顶部底端连接器中层612的底部与顶部底端连接器底层614粘接，顶部底端连接器内层外侧与顶部底端连接器底层粘接；所述顶部热伏发电内管由顶部内管外壳621、顶部内管传热层622、顶部内管热伏发电模块623、顶部内管内层624、顶部内管热伏发电模块密封圈625-1、625-2构成；顶部内管外壳621与相变型热伏基础模块外壳的结构和材料完全相同；上端的外螺纹称为顶部内管外壳外螺纹627；下端的内螺纹称为顶部内管外壳内螺纹626；顶部内管传热层622与相变型热伏基础模块传热层402的结构和材料完全相同；顶部内管内层624与相变型热伏基础模块内层404的结构和材料完全相同；顶部内管内层624上端外侧加工的圆台型称为顶部内管内层上斜口629，下端内侧加工的圆台型称为顶部内管内层下斜口628；顶部内管热伏发电模块623由多个温差发电芯片构成；温差发电芯片的冷端焊接在顶部内管传热层622内侧，温差发电芯片的热端焊接在顶部内管内层624外侧；温差发电芯片在水平方向和垂直方向对齐排列，水平方向成行，垂直方向成列；每行温差发电芯片个数相同，每列温差发电芯片个数相同；每行温差发电芯片之间连接关系为串联；各行温差发电芯片之间串联后，每行的输出电源线之间并联；构成热伏发电基础模块电源输出端；在顶部内管热伏发电模块上端和下端，有顶部内管热伏发电模块密封圈625-1、625-2，嵌于顶部内管传热层622和顶部内管内层624中间，将顶部内管热伏发电模块623密封；所述顶部热伏发电外管与水流段外管320的形状和结构相同，采用导热系数低、弹性模量高的材料制作；两端的外螺纹称为顶部热伏发电外管外螺纹；所述顶部热伏发电外管连接器与水流段外管连接器的形状和结构相同，采用导热系数低、弹性模量高的材料制作；两端的内螺纹称为顶部热伏发电外管连接器内螺纹；所述顶部热伏发电顶盖内层由顶盖内层外圈631、顶盖内层内圈632、顶盖内层盖板633组合而成，顶盖内层盖板安装透平工质流入管634、相变工质注入管635、相变真空抽吸管636；顶盖内层外圈631、顶盖内层内圈632、顶盖内层盖板633、透平工质流入管、相变工质注入管、相变真空抽吸管采用导热系数低、弹性模量高的材料制作；顶盖内层外圈631为管状结构，内径与外径与顶部内管外壳621的内径与外径相同；下端加工成内螺纹，称为顶盖内层外圈内螺纹638；顶盖内层外圈内螺纹与顶部内管外壳内螺纹626规格相同；顶盖内层内圈632为管状结构，内径与外径与顶部内管内层624相同；下端内侧加工成圆台状，称为顶盖内层内圈下斜口；顶盖内层内圈下斜口与顶部内管内层下斜口628规格相同；顶盖内层盖板633为圆盘状，直径与顶盖内层外圈直径相同；顶盖内层外圈、顶盖内层内圈的轴心过顶盖内层盖板圆心，顶盖内层外圈631、顶盖内层内圈632顶端与顶盖内层盖板粘合；顶盖内层盖板633上，顶盖内层外圈631内侧与顶盖内层内圈632外侧之间，安装透平工质流入管634；顶盖内层盖板633上，顶盖内层内圈632内侧，安装相变工质注入管635、相变真空抽吸管636；所述顶部热伏发电顶盖外层由顶盖外层外壳641、顶盖外层顶端642、透平工质流出管643构成，均采用导热系数低、弹性模量高的材料制作；顶盖外层外壳641为管状结构，内径与外径与顶部热伏发电外管的内径与外径相同；下端加工成外螺纹，称为顶盖外层外螺纹644；顶盖外层外螺纹与顶部热伏发电外管外螺纹规格相同；顶盖外层顶端为圆环状，外径与顶盖外层外壳外径相同，内径稍微小于顶盖内层外圈外径；顶盖外层外壳上端与顶盖外层顶端下边粘合，粘合时顶盖外层外壳轴心过顶盖外层顶端圆心；透平工质流出管643安装在顶盖外层顶端上，并位于顶盖外层外壳内侧。

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